MEMS振蕩器挑戰(zhàn)石英晶體在RF應(yīng)用

除了極少數(shù)例外，所有的電子電路需要一個振蕩器，也被稱為一個時鐘，時鐘發(fā)生器，或定時電路。它的作用是提供“心跳”的處理器，內(nèi)存的功能，通信端口，A / D和D / A轉(zhuǎn)換器(如果有的話)等諸多功能。在非關(guān)鍵，低預(yù)算的情況下，如$ 10質(zhì)量市場電子溫度計，該時鐘可以從一個簡單的電阻器/電容器(RC)的振蕩器制成。然而，對于這是更關(guān)鍵的場合絕大多數(shù)，振蕩器是基于一個石英晶體(圖1)。這是一個可以支持寬的頻率范圍從kHz到幾百MHz，具有性能跨越相當(dāng)卓越的，這取決于晶體切割，加工，包裝等方面的考慮成熟的(80 +歲)和高效的技術(shù)。

圖1：古老的石英晶體(而不是整個振蕩器)由標(biāo)準(zhǔn)示意符號表示; b)該等效電路開始所示的簡化模型中，但可以得到作為操作頻率的增加，復(fù)雜得多。然而，晶體的進(jìn)步已經(jīng)達(dá)到了一個平臺，而在計時功能的性能，尺寸，成本，和集成的需求正在增加。為了滿足這些需求，一個新的和破壞性的方法是開始染指石英器件，基于硅MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)，該技術(shù)可以提供石英級性能，并在它適合于許多應(yīng)用的性能和成本的水平。 MEMS器件已經(jīng)高度發(fā)展和大批量用于感測壓力，運動，和加速度，以及它們現(xiàn)在正擴(kuò)展到一個新的角色。上的計時功能的要求是在RF應(yīng)用，其中所述振蕩器是不只是為處理器并且其中一個小的抖動是可以容忍的時鐘特別具有挑戰(zhàn)性。在射頻，它建立基本載體/信道調(diào)諧處幾百MHz而進(jìn)入GHz范圍內(nèi)，以確保A / D和D / A轉(zhuǎn)換器的正確計時。對于轉(zhuǎn)換器，任何抖動轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)換器噪聲和失真，因此在RF設(shè)計的一個關(guān)鍵指標(biāo)。

振蕩器操作

一個晶體定時裝置的結(jié)構(gòu)和操作是基于長期已知壓電原理，由此一個電信號誘導(dǎo)應(yīng)力在晶體，并且反之亦然，以及：施加的應(yīng)力使晶體以產(chǎn)生分鐘電壓。通過使用一個微小的板坯或坯件石英沿與合適的電路，石英用作調(diào)諧諧振器，以提供對整個電子系統(tǒng)精確地間隔的時鐘信號。在基于MEMS的裝置，一個完全不同的方法被使用。在模具芯的蝕刻的硅的作用就像一個音叉共鳴在期望頻率，而在管芯附加電子電路的管理和放大該時鐘信號(圖2)。

圖2：MEMS振蕩器技術(shù)使用一個版本的音叉狀諧振蝕刻到硅中，加上支持電路。(SiTime公司提供)有幾十個第一，第二，甚至第三層參數(shù)，用于評估任何振蕩器，無論是水晶或其它。所需的最低或最高值取決于應(yīng)用，當(dāng)然，但這些參數(shù)的相對權(quán)重的設(shè)計而變化。關(guān)鍵參數(shù)包括額定工作頻率，絕對精度，衰老相關(guān)的穩(wěn)定性，短期和長期漂移(溫度系數(shù)和補償)，抖動，工作溫度范圍，包裝尺寸，工作電壓，供給靈敏度，功耗，休克/振動性，啟動時間，自動售貨機(jī)的變化，和成本，舉出幾個。大多數(shù)這些以不同的方式和不同條件下測得的合法，這取決于兩個應(yīng)用要求以及任何歷史背景。

MEMS的優(yōu)勢和現(xiàn)實

甲石英晶體基振蕩器從多個部分，包括持有在包，同時也提供電觸點(和一些沖擊/振動阻力)經(jīng)仔細(xì)切割和拋光石英毛坯，安裝，及在殼體包本身(組裝更多的背景看CTS的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊“水晶時鐘振蕩器”)。相反，MEMS振蕩器是一個集成電路，作出標(biāo)準(zhǔn)工藝的CMOS生產(chǎn)線，采用8英寸晶片在大多數(shù)情況下。探測，微調(diào)和測試后，器件封裝;再次，就像任何IC。因此，從用于常規(guī)集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)批次技術(shù)和工藝的MEMS裝置的好處。(了解更多的背景上的MEMS振蕩器看到ABRACON產(chǎn)品培訓(xùn)模塊上的ASFLM1系列)?；贛EMS的器件的其他優(yōu)點包括：

•最終器件比石英版本小。這不僅節(jié)省了寶貴的電路板房地產(chǎn)，但它允許定時裝置被放在更接近它的支持，更好的信號完整性和降低電磁干擾的設(shè)備。

•該MEMS振蕩器可以具有內(nèi)置在上述沖模，其可用于補償電路從而提高性能對溫度或電源軌變型有源電路。它也可以被用來提供完整振蕩器功能，作為既不是石英晶體，也不是MEMS諧振器是由本身就是一個完整的振蕩器(盡管該術(shù)語通常使用的方式);每一個需要一些相關(guān)的電路來驅(qū)動的核心要素時機(jī)和條件/縮放的輸出。許多振蕩器也需要鎖相環(huán)乘以基振蕩器頻率到期望的載波頻率，而這也可以是集成電路的一部分。

•完整的MEMS振蕩器的核心，振蕩電路和接口均功率低于同等石英功能。

•此外，工作完成，以允許共包裝與它在相同的方式，存儲器IC現(xiàn)在堆疊并共同封裝與他們的微控制器或微處理器驅(qū)動(如A / D轉(zhuǎn)換器)的集成電路的MEMS裝置的裸片的。這將提供多種好處：更少的電路板房地產(chǎn)需要，簡化了BOM，提高單的完整性，并經(jīng)過測試，保證振蕩器以及轉(zhuǎn)換器的性能，而不關(guān)心PC機(jī)的布局問題(這是在RF的GHz范圍內(nèi)具有挑戰(zhàn)性，往往令人沮喪電路)。

考慮到所有這些優(yōu)點外，還有為什么MEMS器件還沒有取代晶體振蕩器幾個原因：

•可用MEMS器件的性能可能尚未達(dá)到在特定應(yīng)用中的要求。

•RF設(shè)計是相當(dāng)謹(jǐn)慎的，因為定時功能是如此重要的系統(tǒng)性能。

•當(dāng)晶體有其不足之處和文物，這些都相當(dāng)了解。與此相反，MEMS器件的微妙和變化莫測剛開始被稱為到的RF設(shè)計人員能夠接受先進(jìn)的設(shè)計水平。

•新的射頻設(shè)計通常包含一個或幾個新進(jìn)入市場的組成部分，如高性能低噪聲放大器或A / D和D / A轉(zhuǎn)換器，但設(shè)計人員都不愿意去嘗試太多新的組件。這是關(guān)于風(fēng)險管理，有多少不熟悉設(shè)備的設(shè)計者是舒適使用一次，即使每個人都是潛在的有利。

•成本當(dāng)然是：作為一種成熟的技術(shù)，液晶廠商已經(jīng)設(shè)法通過經(jīng)驗和體積，使成本降下來。雖然MEMS器件提供了潛在的成本較低，這對一個案件逐案BOM基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷。

MEMS振蕩器成為關(guān)閉的，現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件

一些可用的微機(jī)電系統(tǒng)器件的定時說明這些組件的功能。例如，SiTime的SiT8209高頻，超高性能的振蕩器(圖3)可訂購80.000001和220 MHz之間的任何頻率，精確的6位小數(shù)。對于過渡的方便，它被打包為一個引腳對引腳插入式替代石英振蕩器，并設(shè)有只有0.5皮秒的超低相位抖動，隨著頻率穩(wěn)定度低至±10ppm的。

圖3：SiTime的SiT8209提供了非常低的抖動，關(guān)鍵的許多通信應(yīng)用;當(dāng)在3.3 V與LVCMOS輸出操作顯示的情節(jié)是相位噪聲在156.25兆赫。 Silicon Labs還提供四大系列(Si501，Si502，Si503，Si504)，其成員在不同的額外功能，具有10年的頻率穩(wěn)定性，包括焊料轉(zhuǎn)移，負(fù)載牽引，電源變化，工作溫度范圍，振動和沖擊性能保證;銷售商聲稱，這是10×媲美石英器件的保證。單元提供32千赫至100兆赫，和頻率穩(wěn)定性的選項之間的任何頻率包括±20，±30和±50ppm的跨商業(yè)(-20?C至70℃)和工業(yè)(-40℃至85 4 C )溫度范圍。四導(dǎo)線裝置(圖4)與間1.71 V至3.63 V.任何供電軌操作

圖4：Si501 / 2/3/4系列由Silicon Labs公司的成員都有相同的基本性能規(guī)格，但不同的附加功能的可用性，如輸出使能和頻率的選擇。從麥克雷爾(圖5)的麥克雷爾MEMS振蕩器單元都可以從2.3至460兆赫操作(DSC1123，例如，具有156.25兆赫的頻率)。典型RMS相位抖動低于1皮秒，而穩(wěn)定性為±10訂購，±25或±50 ppm的評級。該LVDS輸出器件采用2.5×2.0，3.2×2.5，5.0×3.2和7.0×5.0毫米包，以適應(yīng)現(xiàn)有的足跡，并要求2.25至3.6 V電源供電。銷售商聲稱MTF(平均無故障時間)比石英器件的20倍。

圖5：麥瑞半導(dǎo)體的DSC單位是“插入式”替代標(biāo)準(zhǔn)的6引腳LVDS石英晶體振蕩器;設(shè)備只在使用使能控制銷的不同?？偨Y(jié)這是很難預(yù)測到什么程度基于MEMS的定時裝置將取代已久的基于石英的結(jié)晶單元在RF設(shè)計，而這種轉(zhuǎn)變需要多長時間。毫無疑問，MEMS器件以及未來在性能，尺寸，成本和包裝潛在美德的好處讓他們以較低的頻率和增加在更高的RF頻譜非常有吸引力的競爭。市場研究公司IHS日前預(yù)測，超過十億MEMS計時單位出貨量將在2016年，主要是為移動手持設(shè)備和消費電子產(chǎn)品。廠商看機(jī)會中，MEMS技術(shù)已在大眾市場使用，它在前進(jìn)和成熟，以及用戶歡迎的益處，只要任何折衷 - 這顯然將隨應(yīng)用 - 是可以接受的。